DE112013003122T5

DE112013003122T5 - Reduktionsmitteleinspritzsystem mit gemeinsamer Verteilerleiste

Info

Publication number: DE112013003122T5
Application number: DE112013003122.1T
Authority: DE
Inventors: Michael Golin; Tim Gardner; Guanyu Zheng; Zhi Ni
Original assignee: Tenneco Automotive Operating Co Inc
Current assignee: Tenneco Automotive Operating Co Inc
Priority date: 2012-06-21
Filing date: 2013-06-05
Publication date: 2015-03-12
Also published as: JP2015520333A; CN104428503B; US20130343959A1; BR112014031711A2; KR20150018796A; WO2013191904A1; CN104428503A

Abstract

Ein Abgassystem enthält eine Komponente für selektive katalytische Reduktion (SCR) und eine Oxidationskatalysatorkomponente. Das Abgassystem enthält auch ein Einspritzsystem für ein Abgasbehandlungsfluid, zum Verteilen eines Abgasbehandlungsfluides in einen Abgasstrom an einer Stelle, die entweder der SCR-Komponente oder der Oxidationskatalysatorkomponente benachbart ist, wobei die Einspritzvorrichtung für das Abgasbehandlungsfluid eine gemeinsame Verteilerleiste hat, die das Abgasbehandlungsfluid unter Druck an eine Vielzahl von Injektoren verteilt, die das Abgasbehandlungsfluid dosiert in den Abgasstrom einbringen. Die Einspritzvorrichtung für das Abgasbehandlungsfluid hat auch eine Rückführleiste für die Rückführung nicht verbrauchten Abgasbehandlungsfluides zur Fluidquelle.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Vorliegende Erfindung betrifft ein Reduktionsmittel-Einspritzsystem für ein Abgassystem.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Dieser Abschnitt enthält Informationen zum technischen Hintergrund der vorliegenden Erfindung, der nicht notwendigerweise Stand der Technik ist.
Im Rahmen der Anforderungen der Emissionsregelung müssen Antriebsmaschinen mit Systemen zur Abgasnachbehandlung ausgestattet sein, um zum Beispiel die Emission von Feinstaub und NOx zu eliminieren oder zumindest wesentlich zu reduzieren. Für eine Eliminierung oder Reduzierung von Feinstaub und NOx können Abgasnachbehandlungssysteme Komponenten wie ein Partikelfilter (z. B ein Dieselpartikelfilter (DPF)), eine Komponente für selektive katalytische Reduktion (SCR) und einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) enthalten.
Die SCR- und DOC-Komponenten arbeiten generell in Verbindung mit Reduktionsmitteleinspritzsystemen, die ein Reduktionsmittel in den Abgasstrom einspritzen, um das Abgas zu behandeln, bevor dieses in die SCR- oder DOC-Komponenten einströmt. Im Fall einer SCR wird eine Reduktionsmittellösung, die Harnstoff enthält, in den Abgasstrom eingespritzt, bevor dieser in die SCR-Komponente gelangt. Im Fall eines DOC wird ein Kohlenwasserstoffreduktionsmittel wie beispielsweise ein Dieselkraftstoff in den Abgasstrom eingespritzt, bevor dieser in DOC-Komponente gelangt.
Die Einspritzsysteme für jede der SCR- und DOC-Abgasnachbehandlungen bedingen die Integration von Injektoren, Pumpen, Filtern, Regulierern und anderen notwendigen Steuermechanismen zum Steuern der Dosierung jedes dieser Reduktionsmittel in dem Abgasstrom. Zuführsysteme für die Fluideinspritzung beispielsweise bei Kleinlastern, mittleren Lastern und Schwerlastern erfordern lediglich eine Einspritzquelle für die Dosierung des Reduktionsmittels in dem Abgassystem. Große Antriebsmaschinen für Lokomotiven, Schiffe und stationäre Anwendungen können mehrere Einspritzquellen für die Einspritzung des Reduktionsmittels in den Abgasstrom erfordern. Es ist daher schwierig, große Anwendungen so zu gestalten, dass verschiedene Probleme beseitigt werden, wie zum Beispiel das Problem der Beibehaltung eines angemessenen Drucks des Injektors, das Problem der Dauerhaftigkeit des Systems, das Problem einer hinreichenden Reduzierung von schädlichen Abgasen (z. B. Feinstaub und NOx) sowie Probleme hinsichtlich Kosten und Wartung.
ÜBERSICHT
Dieser Abschnitt stellt die Erfindung in einer allgemeinen Übersicht dar und ist keine umfassende Beschreibung des gesamten Umfangs der Erfindung oder all ihrer Merkmale.
Durch vorliegende Erfindung wird ein Abgassystem angegeben, das eine Komponente für eine selektive katalytische Reduktion (SCR) und eine Oxidationskatalysatorkomponente enthält. Das Abgassystem verfügt auch über ein Einspritzsystem für das Abgasbehandlungsfluid, um ein Abgasbehandlungsfluid in einen Abgasstrom zu verteilen, an einer Stelle, die entweder der SCR-Komponente oder der Oxidationskatalysatorkomponente benachbart ist, wobei die Einspritzvorrichtung für das Abgasbehandlungsfluid eine gemeinsame Verteilerleiste (Common Rail) hat, die eine Vielzahl von Injektoren, die das Abgasbehandlungsfluid dosiert in dem Abgasstrom einbringen, mit dem unter Druck gesetztem Abgasbehandlungsfluid versorgt. Die Einspritzvorrichtung für das Abgasbehandlungsfluid hat auch eine gemeinsame Rückführleiste, die nicht verbrauchtes Abgasbehandlungsfluid zur Fluidquelle zurückführt.
Weitere Anwendungsbereiche ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung. Die Beschreibung und die speziellen Beispiele in der Übersicht dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als Einschränkung des Umfangs der vorliegenden Erfindung gedacht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Zeichnungen dienen lediglich dem Zweck der Darstellung von ausgewählten Ausführungsformen und nicht von sämtlichen möglichen Ausführungsformen, wobei die ausgewählten Ausführungsformen keine Einschränkung der Erfindung darstellen.
1 zeigt schematisch ein Abgasbehandlungssystem nach einem erfindungsgemäßen Prinzip;
2 zeigt schematisch ein Einspritzsystem mit gemeinsamer Verteilerleiste für Kohlenwasserstoffeinspritzungen nach einem erfindungsgemäßen Prinzip;
3 zeigt schematisch ein Einspritzsystem mit gemeinsamer Verteilerleiste für Harnstoffeinspritzungen nach einem erfindungsgemäßen Prinzip; und
4 zeigt ein großräumiges Abgasbehandlungssystem mit gemeinsamer Verteilerleiste nach dem erfindungsgemäßen Prinzip.
Übereinstimmende Bezugszeichen kennzeichnen übereinstimmende Elemente in den verschiedenen Zeichnungsansichten.
DETAILBESCHREIBUNG
Beispielhafte Ausführungsformen werden nunmehr im Detail beschrieben, wobei auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird.
1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Abgassystem 10. Das Abgassystem 10 umfasst zumindest eine Antriebsmaschine 12, die mit einer Brennstoffquelle 14 in Verbindung steht, die bei Verbrauch Abgase produziert, die in einen Abgaskanal 16 mit einem Abgasnachbehandlungssystem 18 abgeleitet werden. Der Antriebsmaschine 12 können eine DOC-Komponente 20, eine DPF-Komponente 22 und eine SCR-Komponente 24 nachgeschaltet sein. Wenngleich vorliegende Erfindung dies nicht erfordert, kann das Abgasnachbehandlungssystem 18 ferner Komponenten wie einen Brenner 26 enthalten, um die Temperatur des durch den Abgaskanal 16 strömenden Abgases zu erhöhen. Eine Erhöhung der Abgastemperatur begünstigt das Anspringen des Katalysators in den DOC- und SCR-Komponenten 20 und 24 bei kaltem Wetter und beim Starten der Antriebsmaschine 12 und die Initiierung der Regeneration des DPF 22, sofern notwendig. Zur Versorgung des Brenners 26 mit Brennstoff kann der Brenner eine Einlassleitung 27 aufweisen, die mit der Brennstoffquelle 24 in Verbindung steht.
Zur Unterstützung der Reduktion der Abgase, die von der Antriebsmaschine 12 produziert werden, kann das Abgasnachbehandlungssystem 18 Injektoren 28 und 30 für ein periodisches Einspritzen von Abgasbehandlungsfluiden in den Abgasstrom aufweisen. Wie 1 zeigt, kann der Injektor 28 dem DOC 20 vorgeschaltet sein und ist wirksam für die Einspritzung eines Kohlenwasserstoff-Abgasbehandlungsfluides, das zumindest die Reduktion von NOx in dem Abgasstrom unterstützt und das für die Regeneration des DPF 22 auch die Abgastemperatur erhöht. Diesbezüglich steht der Injektor 28 über die Einlassleitung 32 in Fluidverbindung mit der Brennstoffquelle 14, um einen Kohlenwasserstoff wie Dieselkraftstoff in den dem DOC 20 vorgeschalteten Abgaskanal 16 einzuspritzen. Über eine Rückführleitung 33 kann der Injektor 28 auch mit der Brennstoffquelle 14 in Verbindung stehen. Die Rückführleitung 33 erlaubt die Rückführung von Kohlenwasserstoff, der nicht in den Abgasstrom eingespritzt wurde, zur Brennstoffquelle 14. Der Kohlenwasserstoffstrom durch die Einlassleitung 32, den Injektor 28 und die Rückführleitung 33 unterstützt auch die Kühlung des Injektors 28, so dass der Injektor 28 nicht überhitzt. Wenngleich dies in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, können die Injektoren 28 mit einem Kühlmantel konfiguriert sein, der zum Kühlen der Injektoren 28 ein Kühlmittel rund um die Injektoren leitet.
Der Injektor 30 kann verwendet werden, um ein Abgasbehandlungsfluid wie Harnstoff an einer dem SCR 24 vorgeschalteten Stelle in den Abgaskanal 16 einzuspritzen. Der Injektor 30 steht über die Einlassleitung 36 mit einem Reduktionsmitteltank 34 in Verbindung. Ebenso steht der Injektor 30 über die Rückführleitung 38 mit dem Tank 34 in Verbindung. Die Rückführleitung 38 erlaubt die Rückführung von Harnstoff, der nicht in den Abgasstrom eingespritzt wurde, in den Tank 34. Ähnlich wie bei dem Injektor 28 unterstützt der Harnstoffstrom durch die Einlassleitung 36, durch den Injektor 30 und durch die Rückführleitung 38 die Kühlung des Injektors 30, so dass dieser nicht überhitzt.
Große Dieselmaschinen, wie sie in Lokomotiven, Schiffen und bei stationären Anwendungen eingesetzt werden, können Abgasflussraten haben, die die Kapazität eines einzelnen Injektors übersteigen. Daher versteht sich, dass erfindungsgemäß mehrere Injektoren sowohl für die Kohlenwasserstoff- als auch die Harnstoffeinspritzung vorgesehen sein können, wenngleich nur ein Injektor 28 als Kohlenwasserstoffinjektor und nur ein Injektor 30 als Harnstoffinjektor dargestellt sind. Werden mehrere Injektoren verwendet, kann das Abgassystem 10 jedoch Druckschwankungen an dem jeweiligen Injektor erfahren, die sich infolge der Aktivierung/Deaktivierung der Injektoren negativ auf die Qualität des Spritzstrahls und auf die Quantität des in den Abgasstrom eingespritzten Behandlungsfluides auswirken können.
Für eine wirksame Versorgung des Abgasstroms mit dem Abgasbehandlungsfluid unter Einsatz mehrerer Injektoren, ohne Einbußen hinsichtlich Qualität und Quantität des Spritzstrahls, nutzt vorliegende Erfindung eine Vielzahl von Injektoren, die mit einer gemeinsamen Verteilerleiste in Verbindung stehen, die als Fluidverteiler dient und Druckschwankungen aufgrund der Aktivierungen und Deaktivierungen eines einzelnen Injektors verhindert. 2 zeigt schematisch ein Einspritzsystem 40 mit gemeinsamer Verteilerleiste, das für die Versorgung des Abgasstroms mit einem Kohlenwasserstoff-Abgasbehandlungsfluid verwendet werden kann.
Das Einspritzsystem 40 mit gemeinsamer Verteilerleiste enthält generell eine Brennstoffquelle 14, aus der ein Kohlenwasserstoff-Behandlungsfluid wie Dieselkraftstoff von einer Pumpe 46 durch ein Filter 44 gepumpt wird. Zwar ist das Filter 44 der Pumpe 46 vorgeschaltet dargestellt, kann jedoch der Pumpe 46 ebenso nachgeschaltet sein, ohne dadurch den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Zusätzlich zu ihrer Funktion, Behandlungsfluid aus der Brennstoffquelle 14 anzusaugen, hat die Pumpe 46 auch die Funktion, die gemeinsame Verteilerleiste 48 und die Injektor-Einlassleitungen 50 unter Druck zu setzen. In der dargestellten beispielhaften Ausführungsform umfasst das Einspritzsystem 40 mit gemeinsamer Verteilerleiste acht Injektoren 28, deren jeder einem jeweiligen Abgaskanal 16 des Abgassystems 10 für beispielsweise eine Diesellokomotive entspricht. Wenngleich in 2 acht Injektoren 28 dargestellt sind, können selbstverständlich auch mehr oder weniger Injektoren 28 vorgesehen sein, abhängig von der Anwendung, in welcher das Einspritzsystem 40 mit gemeinsamer Verteilerleiste zum Einsatz kommt.
Zwischen der Pumpe 46 und der gemeinsamen Verteilerleiste 48 kann ein Druckminderer 52 vorgesehen sein. Normalerweise ist die Pumpe 46 wirksam, um das Kohlenwasserstoff-Behandlungsfluid mit einem Druck von 8,27 bar (120 psi) zu fördern, wobei dieser Druck größer ist als ein Druck (z. B. ca. 5,86 bar (85 psi) bis 6,20 bar (90 psi)) in der gemeinsamen Verteilerleiste 48, der notwendig ist, um die Qualität und Quantität des Spritzstrahls zufriedenstellend zu beeinflussen. Um den Druck in der gemeinsamen Verteilerleiste zu reduzieren, mindert der Druckminderer 52 Drücke in der gemeinsamen Verteilerleiste 48 auf den gewünschten Druck. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend angegebenen Drücke beschränkt ist, wenngleich diese wünschenswert sind. Das heißt, abhängig von Größe und Umfang der Anwendung können verschiedene Drücke verwendet und in Betracht gezogen werden, wie der Fachmann ohne weiteres erkennen wird. Dennoch kann zwischen dem Druckminderer 52 und der Pumpe 46 ein Gegendruckregler 54 angeordnet sein. Der Gegendruckregler 54, der dem Druckminderer 52 vorgeschaltet ist, kann verwendet werden, um eine Überströmmenge der Pumpe 46 durch eine Überströmleitung 55 zur Brennstoffquelle zurückzuleiten. Eine derartige Konfiguration ermöglicht einen Betrieb der Pumpe 46 bei voller Kapazität, ohne dass die Pumpe blockiert oder mitschwingt.
Die gemeinsame Verteilerleiste 48 erhält die Flussmenge aus dem Druckminderer 52 und ist ausgebildet für die konstante Beibehaltung des Drucks über sämtliche Injektoren 28. In dieser Hinsicht hat ein Volumen der gemeinsamen Verteilerleiste 48 eine Wirkung auf Druckschwankungen, die in der gemeinsamen Verteilerleiste 48 entstehen, wenn die Injektoren 28 aktiviert und deaktiviert werden, wobei eine Vergrößerung des Volumens der gemeinsamen Verteilerleiste 48 Druckschwankungen mindert. Ein Volumen der gemeinsamen Verteilerleiste 48 kann also auf die spezielle Anwendung, bei der das Einspritzsystem 40 mit gemeinsamer Verteilerleiste zum Einsatz kommen wird, zugeschnitten sein. Bei Einsatz des Einspritzsystems 40 mit gemeinsamer Verteilerleiste beispielsweise in einer Lokomotive kann die gemeinsame Verteilerleiste 48 aus einem rostfreien Stahlrohr gebildet sein, das einen Außendurchmesser zwischen 3,81 cm (1,5 inches) und 7,62 cm (3 inches), eine Wanddicke zwischen 0,13 cm (0,05 inches) und 0,25 cm (0,1 inches) und eine Länge zwischen 243,8 cm (96 inches) und 308,4 cm (120 inches) hat. Es können jedoch auch andere Dimensionen für die gemeinsame Verteilerleiste 48 in Betracht gezogen werden, wie der Fachmann erkennen wird. Bei Einsatz der gemeinsamen Verteilerleiste 48 in einer Schiffsanwendung oder stationären Anwendung lassen sich die Dimensionen der gemeinsamen Verteilerleiste 48 angemessen festlegen. Zur Überwachung von Drücken in dem Einspritzsystem 40 mit gemeinsamer Verteilerleiste können sich an der gemeinsamen Verteilerleiste 48 und an den Injektoren 28 verschiedene Drucksensoren 41 befinden.
Das Abgasbehandlungsfluid wird von der gemeinsamen Verteilerleiste 48 den Injektor-Einlassleitungen 50 und dann den Injektoren 28 zugeführt, die das Behandlungsfluid in die jeweiligen Abgaskanäle 16 einspritzen. Die Injektoren 28 können auch mit Rückführleitungen 51 versehen sein, für eine jeweilige Einspeisung in eine Rückführleiste 56. Ähnlich wie die gemeinsame Verteilerleiste 56 kann die Rückführleiste 56 entsprechend der Anwendung, für die das Einspritzsystem verwendet wird, dimensioniert sein.
Jeder Injektor 28, obwohl er variabel ist, kann eine Düsenöffnung (nicht gezeigt) aufweisen, deren Größe zwischen etwa 0,0 cm (0.01 inches) und 0,1 cm (0.05 inches) liegen kann, und eine interne Rückflussbegrenzungsöffnung (nicht gezeigt), deren Größe zwischen etwa 0,0 cm (0.01 inches) und 0,1 cm (0.05 inches) liegen kann. Die interne Rückflussbegrenzungsöffnung steuert die Rate des durch den Injektor 28 strömenden Fluids und stellt einen Gegendruck bereit, damit der Injektor 28 die Spritzstrahlqualität beibehält. Die Größe der Düsenöffnung hat jedoch die größte Wirkung auf die Tröpfchengröße und den Spritzwinkel bei der Injektordosierung. Abgasbehandlungsfluid, das in der Rückführleiste 56 vorhanden ist, führt unverbrauchtes Behandlungsfluid zurück zur Brennstoffquelle.
Während des Einsatzes des Einspritzsystems 40 mit gemeinsamer Verteilerleiste können die Injektoren 28 gleichzeitig oder gestaffelt aktiviert werden. Zur Aktivierung und Deaktivierung der Injektoren 28 entweder gleichzeitig oder gestaffelt kann das Einspritzsystem 40 mit gemeinsamer Verteilerleiste eine Steuereinheit 58 (4) aufweisen, die wirksam ist für die zeitliche Steuerung jedes Injektors 28, für die Steuerung der Pumpe 46 und für die Überwachung der Drucksensoren 41. Die Steuereinheit 58 kann wiederum mit einer Antriebsmaschinen-Steuereinheit (nicht gezeigt) in Verbindung stehen, um den Betrieb der Antriebsmaschine 12 zu steuern. Die Steuereinheit 58 ist wirksam für die Aktivierung der Injektoren 58 in jeder gewünschten Weise. Es können zum Beispiel alle Injektoren 28 gleichzeitig aktiviert werden oder aber Gruppen von Injektoren 28 (z. B. Zweiergruppen oder Vierergruppen), während die verbleibenden Injektoren 28 deaktiviert sind.
Obwohl die gemeinsame Verteilerleiste 48 für eine Minderung von Druckschwankungen in den Injektoren 28 ausgebildet ist, kann die Aktivierung aller Injektoren 28 gleichzeitig zu verschiedenen Druckschwankungen an jedem Injektor 28 führen. Die diskontinuierliche Aktivierung von Gruppen von Injektoren 28 verhindert Druckschwankungen in der gemeinsamen Verteilerleiste 48, weshalb jeder Injektor 28 während der gestaffelten Aktivierungen keine Druckschwankungen erfährt. Gleichwohl kann die gemeinsame Verteilerleiste 48 im Falle einer gewünschten gleichzeitigen Aktivierung jedes Injektors 28 einen Druckspeicher 60 aufweisen. Die Verwendung eines Druckspeichers 60 an der gemeinsamen Verteilerleiste 48 unterstützt die Minderung von Druckschwankungen während der gleichzeitigen Aktivierung jedes Injektors 28.
Es wird nunmehr auf 3 Bezug genommen, in der ein Einspritzsystem 40' mit gemeinsamer Verteilerleiste dargestellt ist, das wirksam ist für die Einspritzung eines Harnstoff-Abgasbehandlungsfluides in den Abgasstrom. Das Einspritzsystem 40' mit gemeinsamer Verteilerleiste ist ähnlich wie das Einspritzsystem 40 mit gemeinsamer Verteilerleiste, wobei die größten Unterschiede sind, dass zwölf Injektoren 30 anstelle von acht verwendet werden und dass eine Pumpe 46', die zum Pumpen eines Harnstoffbehandlungsfluides und zur Druckbeaufschlagung einer gemeinsamen Verteilerleiste 48' verwendet wird, und Injektor-Einlassleitungen 50' reversierbar sind. Die Pumpe 46' ist reversierbar, weil das Harnstoffbehandlungsfluid gefrieren kann. Da das Harnstoffbehandlungsfluid gefrieren kann, muss nichtinjiziertes Harnstoffbehandlungsfluid aus dem Einspritzsystem 40' mit gemeinsamer Verteilerleiste abgeführt und in den Tank 34 zurückgeführt werden, wenn das Einspritzsystem 40' mit gemeinsamer Verteilerleiste nicht im Einsatz ist. Ein weiterer Unterschied liegt in der Art und Weise, wie Druck in der gemeinsamen Verteilerleiste 48' des Einspritzsystems 40' mit gemeinsamer Verteilerleiste reguliert wird.
Das Einspritzsystem 40' mit gemeinsamer Verteilerleiste enthält normalerweise einen Harnstofftank 34, aus dem die Pumpe 46' durch ein Filter 44' Harnstoffbehandlungsfluid ansaugt. Das Filter 44' ist zwar der Pumpe 46' nachgeschaltet dargestellt, kann aber selbstverständlich auch der Pumpe 46' vorgeschaltet sein, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Zusätzlich zu ihrer Funktion, Harnstoffbehandlungsfluid aus dem Tank 34 anzusaugen, hat die Pumpe 46' auch die Funktion, die gemeinsame Verteilerleiste 48' und die Injektor-Einlassleitungen 50' unter Druck zu setzen. In der dargestellten beispielhaften Ausführungsform hat das Einspritzsystem 40' mit gemeinsamer Verteilerleiste zwölf Injektoren 30, wobei sich versteht, dass abhängig von der Anwendung, in der das Einspritzsystem 40' mit gemeinsamer Verteilerleiste zu verwenden ist, mehr oder weniger Injektoren 30 vorgesehen sein können, wenngleich in 3 zwölf Injektoren 30 dargestellt sind.
Wie vorstehend erwähnt, liegt ein Unterschied zwischen dem Einspritzsystem 40 mit gemeinsamer Verteilerleiste und dem Einspritzsystem 40' mit gemeinsamer Verteilerleiste in der Art und Weise, wie der Druck in den jeweiligen gemeinsamen Verteilerleisten 48 und 48' reguliert wird. Bei dem Einspritzsystem 40' mit gemeinsamer Verteilerleiste wird kein Druckminderer benötigt, um in der gemeinsamen Verteilerleiste 48' einen Druck beizubehalten, der niedriger ist als der Druck, der durch die Pumpe 46' erzeugt wird. Der Grund, warum kein Druckminderer benötigt wird, ist die im Vergleich zu den Injektoren 28 kleinere Düsenöffnung (nicht gezeigt) der Injektoren 30 und das im Vergleich zu dem gegebenenfalls erforderlichen Volumen des Kohlenwasserstoff-Behandlungsfluides geringere Volumen des Harnstoffbehandlungsfluides, das in das Abgassystem 10 eingespritzt werden muss. Die Düsenöffnung (nicht gezeigt) der Injektoren 30 beträgt etwa 0,02 cm (0.008 inches) und eine interne Rückflussbegrenzungsöffnung (nicht gezeigt) etwa 0,06 cm (0.024 inches). Die Düsenöffnung (nicht gezeigt) des Injektors 30 ist kleiner im Vergleich zu der Düsenöffnung (nicht gezeigt) des Injektors 28, da während der Harnstoffzumessung eine stärkere Verdüsung erforderlich ist.
Selbst wenn ein Druckminderer für das Einspritzsystem 40' mit gemeinsamer Verteilerleiste nicht notwendig ist, kann immer noch ein Gegendruckregler 54' verwendet werden, der der Pumpe 46' nachgeschaltet ist, um eine Überströmmenge durch eine Überströmleitung 55' von der Pumpe 46' in den Tank 34 zurückzuleiten. Durch eine solche Konfiguration kann die Pumpe 46' bei voller Kapazität arbeiten, ohne zu blockieren oder mitzuschwingen.
Das Harnstoff-Abgasbehandlungsfluid wird von der gemeinsamen Verteilerleiste 48' in die Injektor-Einlassleitungen 50' und dann in die Injektoren 30 verteilt, die anschließend das Harnstoff-Abgasbehandlungsfluid in die jeweiligen Abgaskanäle 16 einspritzen. Die Injektoren 30 können auch mit Rückführleitungen 51' für eine jeweilige Rückspeisung in eine Rückführleiste 56' versehen sein. Ähnlich wie die Injektoren 28 für die Kohlenwasserstoffeinspritzung können die Injektoren 30 eine konstante Zuführung eines Fluides erfordern, das die Injektoren durchströmt, damit diese kühl bleiben und richtig arbeiten. In der Rückführleiste 56' vorhandenes Abgasbehandlungsfluid leitet nicht verbrauchtes Harnstoffbehandlungsfluid zurück in den Tank 34.
Ebenso wie die Injektoren 28 können die Injektoren 30 gleichzeitig oder gestaffelt aktiviert werden. Für eine gleichzeitige oder gestaffelte Aktivierung und Deaktivierung der Injektoren kann das Einspritzsystem 40' mit gemeinsamer Verteilerleiste eine Steuereinheit 58' für die zeitliche Steuerung jedes Injektors 30, für den Betrieb der Pumpe 46' und für die Überwachung der Drucksensoren 41' aufweisen. Wahlweise und wenn das Abgassystem 10 derart konfiguriert ist, dass es beide Einspritzsysteme 40 und 40' mit jeweils gemeinsamer Verteilerleiste enthält, kann anstelle der Verwendung einer separaten Steuereinheit 58 zum Steuern des Einspritzsystems 40' mit gemeinsamer Verteilerleiste die Steuereinheit 58 auch für eine gleichzeitige Steuerung beider Einspritzsysteme 40 und 40' mit jeweils gemeinsamer Verteilerleiste eingesetzt werden. Die Steuereinheit 58' (sofern verwendet) kann dennoch mit einer Antriebsmaschinen-Steuereinheit (nicht gezeigt) in Verbindung stehen, die für die Steuerung des Betriebs der Antriebsmaschine 12 verwendet wird, wobei die Steuereinheit 58' wirksam ist für die Aktivierung der Injektoren 30 in jeder gewünschten Weise. Das heißt, alle Injektoren 30 können gleichzeitig aktiviert werden, oder es können Gruppen von Injektoren 30 (z. B. Zweiergruppen, Vierergruppen oder Sechsergruppen) aktiviert werden, während die verbleibenden Injektoren 30 deaktiviert sind. Wie vorstehend erwähnt, kann die Aktivierung von Injektorgruppen eine Minderung von Druckschwankungen in dem System unterstützen. Das Einspritzsystem 40' mit gemeinsamer Verteilerleiste kann auch einen Druckspeicher 60 enthalten, sofern dies gewünscht wird.
Da das Harnstoffbehandlungsfluid gefrieren kann, muss das Einspritzsystem 40' mit gemeinsamer Verteilerleiste gegebenenfalls entleert werden, wenn es nicht im Einsatz ist. Wie vorstehend erwähnt, ist die Pumpe 46' eine reversierbare Pumpe, die, wenn das Einspritzsystem 40' mit gemeinsamer Verteilerleiste nicht im Einsatz ist, das Harnstoffbehandlungsfluid aus der Verteilerleiste 48' und den Injektor-Einlassleitungen in den Tank 34 zurückpumpen kann. Eine einfache Umkehr des Betriebs der Pumpe 46' kann manchmal jedoch nicht ausreichen, um die Injektor-Rückführleitungen 51' vollständig zu leeren, weshalb die Rückführleitungen 51' rissanfällig sind, wenn unter Frostbedingungen Harnstoffbehandlungsfluid in den Rückführleitungen zurückbleibt.
Um das Ableiten des Harnstoffbehandlungsfluides aus dem Einspritzsystem 40' mit gemeinsamer Verteilerleiste zu unterstützen, wenn das System nicht im Einsatz ist, kann die Rückführleiste 56' über der gemeinsamen Verteilerleiste 48' angeordnet sein. Durch die Anordnung der Rückführleiste 56' über der gemeinsamen Verteilerleiste 48' und somit an dem höchsten Punkt des Einspritzsystems 40' mit gemeinsamer Verteilerleiste kann dass Ableiten des Harnstoffbehandlungsfluides aus den Rückführleitungen 51 durch Schwerkraft unterstützt werden. Wenn die Rückführleiste 56' nämlich über der gemeinsamen Verteilerleiste 48 angeordnet ist, ist das Harnstoffbehandlungsfluid in der Rückführleiste 56' natürlicherweise bestrebt, in die Rückführleitungen 51' zurückzuströmen, wenn das Einspritzsystem 40' nicht im Einsatz ist. Wenn ferner die Pumpe 46' umgekehrt betrieben wird, um das Einspritzsystem 40' zu entleeren, wird das Harnstoffbehandlungsfluid über die Rückführleitungen 51' und die Injektoren 30 und über die Einlassleitungen 50' und die gemeinsame Verteilerleiste 48' aus der Rückführleiste 56' zurück in den Tank 34 gesaugt.
Es wird nunmehr auf 4 Bezug genommen, die ein Abgassystem 100 beispielsweise für eine Lokomotive zeigt, wobei das Abgassystem Einspritzsysteme 40 und 40' mit jeweiliger gemeinsamer Verteilerleiste enthält. Der Einfachheit halber sind in 4 lediglich die gemeinsamen Verteilerleisten 48 und 48' dargestellt, während die Einspritzsysteme 40 und 40' mit jeweiliger gemeinsamer Verteilerleiste selbstverständlich auch Rückführleisten 56 und 56' für die Rückführung nicht verbrauchten Kohlenwasserstoffs und Harnstoffs zur Brennstoffquelle 14 und zu dem Harnstofftank 34 enthalten. Das Abgassystem 100 enthält eine Dieselmaschine 12, die mit einer Dieselkraftstoffquelle 14 in Verbindung steht. Die Antriebsmaschine 12 kann Abgas in ein Abgas-Turboverteilerrohr 102 leiten. An dem Abgasverteilerrohr 102 ist ein Einspritzsystem 40 mit gemeinsamer Verteilerleiste angeordnet, das Kohlenwasserstoffbehandlungsfluid aus der Dieselkraftstoffquelle 14 in das Abgas-Turboverteilerrohr 102 einspritzt, das den DOCs 20 vorgeschaltet ist. Die Steuerung der Injektoren 28 und der Pumpe 46 übernimmt die Steuereinheit 58.
Auf der stromabwärts gelegenen Seite des Turboverteilerrohres 102 wird der Abgasstrom auf eine Vielzahl von Abgaskanälen 104 aufgeteilt. Jeder Abgaskanal 104 steht in Verbindung mit einer Reihe einer Vielzahl von DOCs 20 und DPFs 22. In der dargestellten Ausführungsform steht jeder Abgaskanal 104 mit einer Reihe von drei DOCs 20 und drei DPFs 22 in Verbindung. Nach dem Austritt aus den DOCs 20 und DPFs 22 wird der Abgasstrom in die Abgaskanäle 106 geleitet. An den Abgaskanälen 106 ist das Einspritzsystem 40' mit gemeinsamer Verteilerleiste angeordnet, wobei das Harnstoffbehandlungsfluid an einer stromaufwärts der SCRs 24 gelegenen Stelle in den Abgasstrom eingespritzt wird, so dass sich der Abgasstrom durch die SCRs 24 bewegt, nachdem das Harnstoffbehandlungsfluid an den Abgaskanälen 16 in den Abgasstrom eingespritzt wurde. Nachdem der Abgasstrom die SCRs 24 passiert hat, verlässt das behandelte Abgas das Abgassystem 100 durch Auslässe 108.
Wie in 4 dargestellt ist, sind die gemeinsamen Verteilerleisten 48 und 48' nicht als ein einfaches gerades Rohr ausgeführt, weil eine eingeschränkte Konfektionierung in der Lokomotive unter Umständen verhindert, dass ein solches Rohr für die gemeinsamen Verteilerleisten 48 und 48' verwendet wird. Durch die Verwendung von modularen oder gekrümmten gemeinsamen Verteilerleisten 48 und 48' bei der Gestaltung des Abgassystems 100 kann einer eingeschränkten Konfektionierung Rechnung getragen werden. Diesbezüglich können die gemeinsamen Verteilerleisten 48 und 48' verschiedene Schenkel aufweisen, die in verschiedenen Orientierungen miteinander verbunden sind, um dadurch einer eingeschränkten Konfektionierung Rechnung zu tragen. Die modulare Ausgestaltung von gemeinsamen Verteilerleisten 48 und 48' hat keinen wesentlichen Einfluss auf deren Leistung, die Verhinderung von Druckschwankungen eingeschlossen.
Wie die 2 und 4 zeigen, kann das Abgassystem 100 schließlich einen Brenner 26 für die Erhöhung der Abgastemperatur enthalten, die die Katalysatoren des DOC 20 und SCR 24 auf eine Anspringtemperatur bringt. Ferner ist der Brenner 26 ausreichend, um das Abgas auf eine Temperatur zu erhöhen, die ausreichend ist für eine Regeneration des DPF 22. Für die Versorgung des Brenners 26 mit Brennstoff kann der Brenner 26 über eine Zuführleitung 110 mit der gemeinsamen Verteilerleiste 48 in Verbindung stehen, um Kohlenwasserstoff aus dem Einspritzsystem 40 aufzunehmen. Insbesondere versorgt die Zuführleitung 110 den Brenner mit Brennstoff direkt aus der gemeinsamen Verteilerleiste 48. Durch diese Konfiguration entfällt die Notwendigkeit einer separaten Einlassleitung für den Brenner 26, die mit der Brennstoffquelle 14 in Verbindung steht. Dies reduziert die notwendigen Teile für die Herstellung des Abgassystems 100 und verringert auch die Einschränkungen hinsichtlich der Konfektionierung.
Wie die 2 und 4 zeigen, ist der Brenner 26 den Injektoren 28 nachgeschaltet, wie das durch die Linie 112 in 2 angegeben ist, die lediglich zeigt, dass der Brenner 26 direkt mit dem Abgaskanal 16 verbunden ist. Es versteht sich jedoch, dass der Brenner 26 auch an einer stromaufwärts der Injektoren 28 gelegenen Position mit dem Abgaskanal 16 in Verbindung stehen kann, solange sich der Brenner 26 in einer Position relativ zu den DPFs 22 befindet, die erlaubt, dass der Brenner 26 die Temperatur des Abgases auf einen Punkt erhöht, an dem eine Regeneration des DPF 22 erreicht werden kann.
Gemäß vorstehender Beschreibung kann die Einspritzung von Abgasbehandlungsfluiden in den Abgasstrom bei großen Dieselanwendungen ohne Qualitäts- und Quantitätseinbußen des Spritzstrahls wirksam erfolgen, indem mehrere Injektoren verwendet werden. Durch die Verwendung einer Vielzahl von Injektoren, die in Fluidverbindung mit einer gemeinsamen Verteilerleiste stehen, die als Fluidverteiler dient, können Druckschwankungen aufgrund der Aktivierungen und Deaktivierungen eines einzelnen Injektors vermieden werden. Das Ergebnis ist, dass dem Abgasstrom ein Reduktionsmittel für die Reduktion von NOx aus dem Abgasstrom stets in einer angemessenen Menge und Qualität zugeführt wird.
Die vorstehenden Ausführungsformen dienen lediglich dem Zweck der Darstellung und Erläuterung und sind nicht als eine erschöpfende Beschreibung oder Einschränkung der Erfindung gedacht. Einzelne Elemente oder Merkmale einer speziellen Ausführungsform sind generell nicht auf diese spezielle Ausführungsform beschränkt, sondern sind gegebenenfalls austauschbar und können in einer gewählten Ausführungsform verwendet werden, auch wenn dies nicht eigens dargestellt oder beschrieben ist. Ebenso können einzelne Elemente oder Merkmale in vielfältiger Weise variiert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, der alle diese Modifikationen umfasst.

Claims

Abgassystem, umfassend: eine erste Katalysatorkomponente; einen Tank für die Aufnahme eines Abgasbehandlungsfluides; ein Einspritzsystem für das Abgasbehandlungsfluid, zum Verteilen des Abgasbehandlungsfluides in einen Abgasstrom an einer Stelle, die der ersten Katalysatorkomponente benachbart ist, wobei die Einspritzvorrichtung für das Abgasbehandlungsfluid eine gemeinsame Verteilerleiste hat, die das Abgasbehandlungsfluid unter Druck an eine Vielzahl von Injektoren verteilt, die das Abgasbehandlungsfluid dosiert in den Abgasstrom einbringen, und eine Rückführleiste zum Rückführen nicht verbrauchten Abgasbehandlungsfluides in den Tank.
Abgassystem nach Anspruch 1, wobei das Einspritzsystem für das Abgasbehandlungsfluid eine Pumpe zur Druckbeaufschlagung der gemeinsamen Verteilerleiste und zur Druckbeaufschlagung von Einlassleitungen der Injektoren enthält.
Abgassystem nach Anspruch 2, wobei das Einspritzsystem für das Abgasbehandlungsfluid einen Gegendruckregler zwischen der Pumpe und der gemeinsamen Verteilerleiste enthält.
Abgassystem nach Anspruch 1, wobei das Abgasbehandlungsfluid ein Kohlenwasserstoff-Abgasbehandlungsfluid ist und das Kohlenwasserstoff-Abgasbehandlungsfluid an einer Stelle verteilt wird, die der Katalysatorkomponente benachbart ist.
Abgassystem nach Anspruch 4, wobei die Katalysatorkomponente eine Oxidationskatalysatorkomponente ist.
Abgassystem nach Anspruch 1, wobei das Abgasbehandlungsfluid ein Harnstoff-Abgasbehandlungsfluid ist und das Harnstoff-Abgasbehandlungsfluid an einer Stelle verteilt wird, die der Katalysatorkomponente benachbart ist.
Abgassystem nach Anspruch 6, wobei die Katalysatorkomponente eine Katalysatorkomponente für selektive katalytische Reduktion (SCR) ist.
Abgassystem nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine zweite Katalysatorkomponente; einen zweiten Tank für die Aufnahme eines zweiten Abgasbehandlungsfluides; und ein zweites Einspritzsystem für das Abgasbehandlungsfluid, zum Verteilen des zweiten Abgasbehandlungsfluides in den Abgasstrom an einer Stelle, die der zweiten Katalysatorkomponente benachbart ist, wobei die zweite Einspritzvorrichtung für das Abgasbehandlungsfluid eine zweite gemeinsame Verteilerleiste hat, die das zweite Abgasbehandlungsfluid unter Druck an eine zweite Vielzahl von Injektoren verteilt, die das zweite Abgasbehandlungsfluid dosiert in den Abgasstrom einbringen, und eine zweite Rückführleiste zum Rückführen nicht verbrauchten zweiten Abgasbehandlungsfluides in den zweiten Tank.
Abgassystem nach Anspruch 8, wobei das Einspritzsystem für das Abgasbehandlungsfluid ein Kohlenwasserstoffbehandlungsfluid an einer der ersten Katalysatorkomponente benachbarten Stelle einspritzt und wobei das zweite Einspritzsystem für das Abgasbehandlungsfluid ein Harnstoffbehandlungsfluid an einer der zweiten Katalysatorkomponente benachbarten Stelle einspritzt.
Abgassystem nach Anspruch 8, wobei das zweite Einspritzsystem für das Abgasbehandlungsfluid eine zweite Pumpe zur Druckbeaufschlagung der zweiten gemeinsamen Verteilerleiste und zur Druckbeaufschlagung von Einlassleitungen der zweiten Injektoren enthält.
Abgassystem nach Anspruch 10, wobei das zweite Einspritzsystem für das Abgasbehandlungsfluid einen Gegendruckregler zwischen der zweiten Pumpe und der zweiten gemeinsamen Verteilerleiste enthält.
Abgassystem nach Anspruch 10, wobei die zweite Pumpe reversierbar ausgebildete ist und betrieben werden kann zum Ableiten des zweiten Abgasbehandlungsfluides aus dem zweiten Einspritzsystem für das Abgasbehandlungsfluid.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Brenner zum Erhöhen einer Temperatur der Abgase.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 13, wobei das Abgasbehandlungsfluid ein Kohlenwasserstoff-Abgasbehandlungsfluid ist und der Brenner das Kohlenwasserstoff-Abgasbehandlungsfluid nutzt, das von der gemeinsamen Verteilerleiste als Brennstoffquelle zugeführt wird.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Partikelfilter.
Abgassystem, aufweisend ein Abgasnachbehandlungssystem, wobei das Abgasnachbehandlungssystem umfasst: einen ersten Abgasbehandlungsfluidtank, der mit einem ersten Einspritzsystem für das Abgasbehandlungsfluid in Verbindung steht; und einen zweiten Abgasbehandlungsfluidtank, der mit einem zweiten Einspritzsystem für das Abgasbehandlungsfluid in Verbindung steht; wobei das erste und das zweite Einspritzsystem für das Abgasbehandlungsfluid jeweils eine Vielzahl von Injektoren zum Einspritzen der Abgasbehandlungsfluide in einen Abgasstrom aufweist, wobei jeder der Vielzahl von Injektoren durch eine gemeinsame Verteilerleiste unter Druck gesetzt ist, die über eine Injektor-Einlassleitung mit jedem Injektor in Verbindung steht, und wobei jeder der Vielzahl von Injektoren eine Injektor-Rückführleitung hat, die mit einer Rückführleiste in Verbindung steht.
Abgassystem nach Anspruch 16, wobei der erste Abgasbehandlungsfluidtank ein Kohlenwasserstoff-Abgasbehandlungsfluid enthält.
Abgassystem nach Anspruch 16, wobei der zweite Abgasbehandlungsfluidtank ein Harnstoff-Abgasbehandlungsfluid enthält.
Abgassystem nach Anspruch 16, ferner umfassend einen Oxidationskatalysator, der dem ersten Einspritzsystem für das Abgasbehandlungsfluid nachgeschaltet ist.
Abgassystem nach Anspruch 16, ferner umfassend einen Katalysator für selektive katalytische Reduktion (SCR), der dem zweiten Einspritzsystem für das Abgasbehandlungsfluid nachgeschaltet ist.
Abgassystem nach Anspruch 16, ferner umfassend einen Brenner, wobei der Brenner ein Kohlenwasserstoff-Abgasbehandlungsfluid aus der gemeinsamen Verteilerleiste des ersten Einspritzsystems für das Abgasbehandlungsfluid erhält.
Abgassystem nach Anspruch 21, ferner umfassend ein Partikelfilter, das dem Brenner nachgeschaltet ist.
Abgassystem nach Anspruch 21, wobei der Brenner wirksam ist für das Erzielen eines Anspringens eines dem Brenner nachgeschalteten Katalysators und für die Regeneration des Partikelfilters.
Abgassystem, umfassend: eine erste Katalysatorkomponente; einen Tank für die Aufnahme eines Abgasbehandlungsfluides; ein Einspritzsystem für das Abgasbehandlungsfluid, zum Verteilen des Abgasbehandlungsfluides in einen Abgasstrom an einer Stelle, die der ersten Katalysatorkomponente benachbart ist, wobei die Einspritzvorrichtung für das Abgasbehandlungsfluid eine gemeinsame Verteilerleiste hat, die das Abgasbehandlungsfluid unter Druck an eine Vielzahl von Injektoren verteilt, die das Abgasbehandlungsfluid dosiert in den Abgasstrom einbringen, und eine Rückführleiste zum Rückführen nicht verbrauchten Abgasbehandlungsfluides in den Tank; und einen Brenner, der mit dem Abgasstrom in Verbindung steht, um eine Temperatur des Abgases in dem Abgasstrom zu erhöhen.
Abgassystem nach Anspruch 24, wobei das Abgasbehandlungsfluid ein Kohlenwasserstoff-Abgasbehandlungsfluid ist und das Kohlenwasserstoff-Abgasbehandlungsfluid an einer der ersten Katalysatorkomponente benachbarten Stelle verteilt wird.
Abgassystem nach Anspruch 24, wobei die erste Katalysatorkomponente eine Oxidationskatalysatorkomponente ist.
Abgassystem nach Anspruch 24, wobei das Abgasbehandlungsfluid ein Kohlenwasserstoff-Abgasbehandlungsfluid ist und der Brenner das Kohlenwasserstoff-Abgasbehandlungsfluid nutzt, das von der gemeinsamen Verteilerleiste als Brennstoffquelle zugeführt wird.
Abgassystem nach Anspruch 24, ferner umfassend: eine zweite Katalysatorkomponente; einen zweiten Tank für die Aufnahme eines zweiten Abgasbehandlungsfluides; und ein zweites Einspritzsystem für das Abgasbehandlungsfluid, zum Verteilen des zweiten Abgasbehandlungsfluides in den Abgasstrom an einer Stelle, die der zweiten Katalysatorkomponente benachbart ist, wobei die zweite Einspritzvorrichtung für das Abgasbehandlungsfluid eine zweite gemeinsame Verteilerleiste hat, die das zweite Abgasbehandlungsfluid unter Druck an eine zweite Vielzahl von Injektoren verteilt, die das zweite Abgasbehandlungsfluid dosiert in den Abgasstrom einbringen, und eine zweite Rückführleiste zum Rückführen nicht verbrauchten zweiten Abgasbehandlungsfluides in den zweiten Tank.
Abgassystem nach Anspruch 28, wobei das Einspritzsystem für das Abgasbehandlungsfluid ein Kohlenwasserstoffbehandlungsfluid an einer der ersten Katalysatorkomponente benachbarten Stelle einspritzt und wobei das zweite Einspritzsystem für das Abgasbehandlungsfluid ein Harnstoffbehandlungsfluid an einer der zweiten Katalysatorkomponente benachbarten Stelle einspritzt.
Abgassystem nach Anspruch 29, wobei die erste Katalysatorkomponente eine Oxidationskatalysatorkomponente ist und wobei die zweite Katalysatorkomponente eine Katalysatorkomponente für selektive katalytische Reduktion (SCR) ist.